JP6946964B2 - Robot joint structure - Google Patents
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Description
本発明は、ロボットの関節構造、特にロボットハンドの指構造に関する。 The present invention relates to a robot joint structure, particularly a robot hand finger structure.
ロボットによる複雑な作業を可能にするために人の手を模したロボットハンドが開発されており、対象物である被把持部材を把持した際にロボットハンドの指が当該被把持部材の外形になじむようにされているものがある。 A robot hand that imitates a human hand has been developed to enable complicated work by a robot, and when a gripped member that is an object is gripped, the fingers of the robot hand fit into the outer shape of the gripped member. There is something that is done.
例えば、特許文献1のロボットハンドの指構造は、第1の指プレート、第2の指プレート及び第3の指プレートを備えている。第1の指プレートと第2の指プレートとは、指が屈曲するのに従って伸展する側に復元力を発現するトーションバネを介して回転可能に接続されている。また、第2の指プレートと第3の指プレートとも、指が屈曲するのに従って伸展する側に復元力を発現するトーションバネを介して回転可能に接続されている。
For example, the finger structure of the robot hand of
このような指構造は、例えば、指が伸展した状態で第1の指プレートが被把持部材に接触すると、第2の指プレート及び第3の指プレートが被把持部材を把持するように動作し、指が被把持部材になじむ構成とされている。 Such a finger structure operates so that, for example, when the first finger plate comes into contact with the gripped member while the finger is extended, the second finger plate and the third finger plate grip the gripped member. , The structure is such that the finger fits into the member to be gripped.
特許文献1のロボットハンドの指構造は、指が屈曲するのに従って伸展する側に復元力を発現するトーションバネによって、第1の指プレートと第2の指プレート、及び第2の指プレートと第3の指プレートとが接続されている。そのため、特許文献1のロボットハンドの指構造で被把持部材を把持するためには、トーションバネの復元力に打ち勝つ駆動力が必要であり、指を動作させるためのサーボモータなどのアクチュエータが大型化する課題を有する。
In the finger structure of the robot hand of
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、ロボットにおける関節を動作させるためのアクチュエータの小型化に寄与するロボットの関節構造を実現する。 The present invention has been made in view of such problems, and realizes a robot joint structure that contributes to miniaturization of an actuator for operating a joint in the robot.
本発明の一態様に係るロボットの関節構造は、
アクチュエータによって第1の回転軸回りに回転可能な第1のリンクと、
前記第1のリンクに対して前記第1の回転軸回りに回転可能な第2のリンクと、
前記第1のリンクに対して第2の回転軸回りに回転可能な第3のリンクと、
前記第2のリンクに対して第3の回転軸回りに回転可能で、且つ前記第3のリンクに対して第4の回転軸回りに回転可能な第4のリンクと、
を有し、前記第1の回転軸と前記第2の回転軸と前記第3の回転軸と前記第4の回転軸とが異なる4節リンク機構を備える、ロボットの関節構造であって、
一方の端部が前記第2のリンクに固定され、他方の端部が前記第3のリンクに固定された第1の弾性部材を備え、
指の伸展状態を初期状態としたとき、前記第1の弾性部材は、前記指が屈曲状態になるのに従って伸長して復元力が増加し、
前記指の初期状態において、前記第1の回転軸が延在する方向と直交する平面上で、前記第2の回転軸の中心を通り、且つ前記第2の回転軸の中心と前記第4の回転軸の中心とを通る第1の直線と直交する第2の直線と、前記第3のリンクと前記第1の弾性部材の他方の端部との固定点と、の間隔は、前記第1の回転軸の中心を通り、且つ前記第1の回転軸の中心と前記第3の回転軸の中心とを通る第3の直線と直交する第4の直線と、前記第2のリンクと前記第1の弾性部材の一方の端部との固定点と、の間隔以上である。
このような構成により、被把持部材を把持する際に第1の弾性部材によって当該被把持部材を把持する側にモーメントが与えられる。そのため、被把持部材を把持する際に、第1の弾性部材の復元力がアクチュエータの駆動力に加算されることになり、小さな駆動力で被把持部材を把持することができる。その結果、ロボットにおける関節を動作させるためのアクチュエータの小型化に寄与できる。
The joint structure of the robot according to one aspect of the present invention is
A first link that can be rotated around the first axis of rotation by an actuator,
A second link that can rotate about the first axis of rotation with respect to the first link,
A third link that can rotate about a second axis of rotation with respect to the first link,
A fourth link that is rotatable about a third rotation axis with respect to the second link and is rotatable about a fourth rotation axis with respect to the third link.
A robot joint structure comprising a four-node link mechanism in which the first rotation axis, the second rotation axis, the third rotation axis, and the fourth rotation axis are different from each other.
It comprises a first elastic member having one end fixed to the second link and the other end fixed to the third link.
When the extended state of the finger is set to the initial state, the first elastic member is extended as the finger is in the bent state, and the restoring force is increased.
In the initial state of the finger, on a plane orthogonal to the direction in which the first rotation axis extends, the center of the second rotation axis passes through the center of the second rotation axis, and the center of the second rotation axis and the fourth rotation axis. The distance between the second straight line orthogonal to the first straight line passing through the center of the rotation axis and the fixing point between the third link and the other end of the first elastic member is the first. A fourth straight line passing through the center of the rotation axis of the above and orthogonal to a third straight line passing through the center of the first rotation axis and the center of the third rotation axis, the second link, and the second. It is equal to or greater than the distance between the fixed point of 1 and the one end of the elastic member.
With such a configuration, when gripping the gripped member, a moment is given to the side gripping the gripped member by the first elastic member. Therefore, when gripping the gripped member, the restoring force of the first elastic member is added to the driving force of the actuator, and the gripped member can be gripped with a small driving force. As a result, it is possible to contribute to the miniaturization of the actuator for operating the joint in the robot.
上記のロボットの関節構造において、前記第1の弾性部材は、樹脂製のリング部材であることが好ましい。
これにより、第1の弾性部材としてコイルバネなどを採用する場合に比べて、設置スペースが狭くてよく、また、安価である。
In the joint structure of the robot, the first elastic member is preferably a resin ring member.
As a result, the installation space may be smaller and the cost is lower than when a coil spring or the like is used as the first elastic member.
上記のロボットの関節構造において、
前記第3のリンクに対して第5の回転軸回りに回転可能な第5のリンクと、
前記第4のリンクに対して第6の回転軸回りに回転可能で、且つ前記第5のリンクに対して第7の回転軸回りに回転可能な第6のリンクと、
を備えることが好ましい。
これにより、被把持部材に対して細かななじみ動作を実現することができる。
In the above robot joint structure
A fifth link that can rotate about a fifth axis of rotation with respect to the third link,
A sixth link that is rotatable about a sixth rotation axis with respect to the fourth link and is rotatable about a seventh rotation axis with respect to the fifth link.
It is preferable to provide.
As a result, it is possible to realize a fine familiar operation with the member to be gripped.
上記のロボットの関節構造において、
一方の端部が前記第4のリンクに固定され、他方の端部が前記第5のリンクに固定された第2の弾性部材を備え、
前記第2の弾性部材は、前記指が屈曲状態になるのに従って伸長して復元力が増加し、
前記指の初期状態において、前記第3の回転軸が延在する方向と直交する平面上で、前記第3の回転軸の中心を通り、且つ前記第3の回転軸の中心と前記第6の回転軸の中心とを通る第5の直線と直交する第6の直線と、前記第5のリンクと前記第2の弾性部材の他方の端部との固定点と、の間隔は、前記第6の直線と、前記第4のリンクと前記第2の弾性部材の一方の端部との固定点と、の間隔以上であることが好ましい。
これにより、第4のリンク及び第6のリンクを回転させる際に、第2の弾性部材の復元力をアクチュエータの駆動力に加算することができる。
In the above robot joint structure
A second elastic member having one end fixed to the fourth link and the other end fixed to the fifth link.
The second elastic member expands as the finger becomes bent, and the restoring force increases.
In the initial state of the finger, on a plane orthogonal to the direction in which the third rotation axis extends, the center of the third rotation axis passes through the center of the third rotation axis, and the center of the third rotation axis and the sixth rotation axis. The distance between the sixth straight line orthogonal to the fifth straight line passing through the center of the rotation axis and the fixing point between the fifth link and the other end of the second elastic member is the sixth. It is preferable that the distance between the straight line and the fixed point between the fourth link and one end of the second elastic member is equal to or greater than the distance between the straight line.
Thereby, when rotating the fourth link and the sixth link, the restoring force of the second elastic member can be added to the driving force of the actuator.
上記のロボットの関節構造において、前記第2の弾性部材は、樹脂製のリング部材であることが好ましい。
これにより、第2の弾性部材としてコイルバネなどを採用する場合に比べて、設置スペースが狭くてよく、また、安価である。
In the joint structure of the robot, the second elastic member is preferably a resin ring member.
As a result, the installation space may be smaller and the cost is lower than when a coil spring or the like is used as the second elastic member.
本発明によれば、ロボットにおける関節を動作させるためのアクチュエータの小型化に寄与できる。 According to the present invention, it is possible to contribute to the miniaturization of the actuator for operating the joint in the robot.
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。 Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments. Further, in order to clarify the explanation, the following description and drawings have been simplified as appropriate.
<実施の形態1>
先ず、本実施の形態のロボットの関節構造を採用した指の構成を説明する。図1は、本実施の形態のロボットの関節構造を採用した指の初期状態を模式的に示す斜視図である。図2は、本実施の形態のロボットの関節構造を採用した指の分解図である。
<
First, the configuration of a finger adopting the joint structure of the robot of the present embodiment will be described. FIG. 1 is a perspective view schematically showing an initial state of a finger adopting the joint structure of the robot of the present embodiment. FIG. 2 is an exploded view of a finger adopting the joint structure of the robot of the present embodiment.
本実施の形態のロボットの関節構造は、例えば、人の手を模したロボットハンドの指に好適に採用することができる。本実施の形態のロボットの関節構造を採用した指1は、図1及び図2に示すように、第1のリンク2、第2のリンク3、第3のリンク4、第4のリンク5、第5のリンク6、第6のリンク7及びコイルバネなどの弾性部材8を備えており、図示を省略した手掌部に回転可能に接続されている。
The joint structure of the robot of the present embodiment can be suitably adopted for, for example, the fingers of a robot hand that imitates a human hand. As shown in FIGS. 1 and 2, the
ここで、以下の説明では、説明を明確にするために、3次元(XYZ)座標系を用いて、指1が伸展状態である初期状態での当該指1の構成を説明する。なお、X軸−側が指1の付け根側であり、X軸+側が指1の先端側である。また、Z軸−側が手の平側であり、Z軸+側が手の甲側である。
Here, in the following description, in order to clarify the explanation, the configuration of the
第1のリンク2は、手掌部に設けられたサーボモータなどのアクチュエータ(図示を省略)によって回転駆動する原動節である。例えば、第1のリンク2は、Y軸方向の厚さが薄く、XZ平面において短手の長さに対する長手の長さの比率が大きい略矩形状のプレート部材を基本形態としており、X軸に対して30°程度Z軸+側に傾斜している。第1のリンク2は、当該第1のリンク2の一方の端部からY軸+側に突出する第1の回転軸2aを備えている。第1の回転軸2aは、アクチュエータから回転トルクが伝達可能に当該アクチュエータの回転軸に接続されている。
The
第1のリンク2は、当該第1のリンク2の他方の端部からY軸−側に突出する第2の回転軸2bを備えている。このような第1のリンク2は、アクチュエータの回転トルクが第1の回転軸2aに伝達されることによって第1の回転軸2a回りに回転する。
The
第2のリンク3は、第1のリンク2に対して当該第1のリンク2に設けられた第1の回転軸2a回りに回転可能に接続されている。例えば、第2のリンク3は、Y軸方向に厚さが薄く、XZ平面において短手の長さに対する長手の長さの比率が大きい略矩形状のプレート部材を基本形態としており、当該第2のリンク3の長手方向は、略X軸方向に延在している。
The second link 3 is rotatably connected to the
第2のリンク3は、当該第2のリンク3の一方の端部に第1の貫通孔3aを備えており、当該第1の貫通孔3aに第1のリンク2の第1の回転軸2aが通されている。そして、第2のリンク3は、当該第2のリンク3の他方の端部に第2の貫通孔3bを備えている。
The second link 3 is provided with a first through
第3のリンク4は、第1のリンク2に対して当該第1のリンク2に設けられた第2の回転軸2b回りに回転可能に接続されている。例えば、第3のリンク4は、Y軸方向から見て、第2のリンク3と略平行であって、且つ第2のリンク3に対して若干Z軸+側に配置されている。そして、第3のリンク4は、Z軸方向から見て、当該第3のリンク4と第2のリンク3とで第1のリンク2を挟み込むように配置されている。
The
第3のリンク4は、Y軸方向の厚さが薄く、XZ平面において短手の長さに対する長手の長さの比率が大きい略矩形状のプレート部材を基本形態としており、長手方向であるX軸方向の長さが第2のリンク3と略等しい。そして、第3のリンク4は、当該第3のリンク4の一方の端部に第1の貫通孔4aを備えており、当該第1の貫通孔4aに第1のリンク2の第2の回転軸2bが通されている。また、第3のリンク4は、当該第3のリンク4の他方の端部からY軸+側に突出する回転軸4bを備えている。
The
第4のリンク5は、第2のリンク3に対して第4のリンク5に設けられた回転軸5d回りに回転可能で、且つ第3のリンク4に対して第3のリンク4に設けられた回転軸4b回りに回転可能に接続されている。例えば、第4のリンク5は、Z軸方向から見て、第2のリンク3と第3のリンク4との間に配置されている。
The
第4のリンク5は、Y軸方向の厚さが薄く、詳細を後述するようにY軸方向から見て屈曲するプレート部材を基本形態としており、第1の部分5a及び第2の部分5bを備えている。第1の部分5aは、第1のリンク2と略等しい長さを有し、Y軸方向から見て、第1のリンク2と略平行に配置されている。
The
詳細には、第4のリンク5は、第1の部分5aと第2の部分5bとの屈曲起点部にて第1の部分5aが第2の部分5bに対して30°程度Z軸+側に屈曲している。そして、第4のリンク5は、第1の部分5aの先端部に第1の貫通孔5cを備えており、第1の貫通孔5cに第3のリンク4の回転軸4bが通されている。また、第4のリンク5は、当該屈曲起点部にY軸+側に突出する回転軸5dを備えている。回転軸5dは、第2のリンク3の第2の貫通孔3bに通されている。
Specifically, in the
これにより、第1のリンク2と、第2のリンク3と、第3のリンク4と、第4のリンク5の第1の部分5aと、で4節の平行リンク機構9を形成しており、当該平行リンク機構9の回転動作に伴って、第4のリンク5の第2の部分5bが回転軸5d回りに回転することになる。第2の部分5bは、略X軸方向に延在しており、第2の部分5bの先端部に第2の貫通孔5eを備えている。
As a result, the
但し、本実施の形態では、第1のリンク2と、第2のリンク3と、第3のリンク4と、第4のリンク5の第1の部分5aと、で4節の平行リンク機構9を構成しているが、第1のリンク2と、第2のリンク3と、第3のリンク4と、第4のリンク5の第1の部分5aと、で閉リンクを構成する4節リンク機構であればよい。
However, in the present embodiment, the
第5のリンク6は、第3のリンク4に対して第5のリンク6に設けられた第1の回転軸6a回りに回転可能に接続されている。例えば、第5のリンク6は、Y軸方向から見て第4のリンク5に対して若干Z軸+側に配置され、且つZ軸方向から見て第3のリンク4に対してY軸−側に配置されている。
The
第5のリンク6は、Y軸方向の厚さが薄く、XZ平面において短手の長さに対する長手の長さの比率が大きい略矩形状のプレート部材を基本形態としている。そして、第5のリンク6は、当該第5のリンク6の一方の端部にY軸+側に突出する第1の回転軸6aを備えており、第1の回転軸6aは、第3のリンク4におけるZ軸+側に突出する突出部4cに形成された第2の貫通孔4dに通されている。また、第5のリンク6は、当該第5のリンク6の他方の端部にY軸+側に突出する第2の回転軸6bを備えている。
The
第6のリンク7は、第4のリンク5に対して第6のリンク7に設けられた回転軸7d回りに回転可能で、且つ第5のリンク6に対して当該第5のリンク6に設けられた第2の回転軸6b回りに回転可能に接続されている。例えば、第6のリンク7は、Z軸方向から見て、第4のリンク5と第5のリンク6との間に配置されている。
The
第6のリンク7は、Y軸方向の厚さが薄く、詳細を後述するようにY軸方向から見て屈曲するプレート部材を基本形態としており、第1の部分7a及び第2の部分7bを備えている。第1の部分7aは、第1のリンク2と略等しい長さを有し、Y軸方向から見て、第1のリンク2と略平行に配置されている。第2の部分7bは、略X軸方向に延在している。
The
つまり、第6のリンク7は、第1の部分7aと第2の部分7bとの屈曲起点部にて第1の部分7aが第2の部分7bに対して30°程度Z軸+側に屈曲している。そして、第6のリンク7は、第1の部分7aの先端部に貫通孔7cを備えており、貫通孔7cに第5のリンク6の第2の回転軸6bが通されている。また、第6のリンク7は、当該屈曲起点部にY軸+側に突出する回転軸7dを備えている。回転軸7dは、第4のリンク5の第2の貫通孔5eに通されている。
That is, in the
このような第1のリンク2、第2のリンク3、第3のリンク4、第4のリンク5、第5のリンク6及び第6のリンク7の初期状態においては、第1のリンク2に対する第2のリンク3の回転軸である当該第1のリンク2の第1の回転軸2aの中心O1と、第2のリンク3に対する第4のリンク5の回転軸5dの中心O2と、第4のリンク5に対する第6のリンク7の回転軸7dの中心O3と、が略X軸上に配置される。
In the initial state of such a
そして、第1のリンク2、第2のリンク3、第3のリンク4、第4のリンク5、第5のリンク6及び第6のリンク7の初期状態においては、第2のリンク3におけるZ軸−側の辺と、第4のリンク5における第2の部分5bのZ軸−側の辺と、第6のリンク7における第2の部分7bのZ軸−側の辺と、が略X軸上に配置される。
Then, in the initial state of the
つまり、第1のリンク2、第2のリンク3、第3のリンク4、第4のリンク5、第5のリンク6及び第6のリンク7の初期状態においては、第2のリンク3と、第4のリンク5の第2の部分5bと、第6のリンク7の第2の部分7bとは、X軸方向に略真っ直ぐに配置される。ここで、第2のリンク3は、指1の基節を成し、第4のリンク5の第2の部分5bは、指1の中節を成し、第6のリンク7の第2の部分7bは、末節を成す。
That is, in the initial state of the
弾性部材8は、例えば、コイルバネである。弾性部材8の一方の端部は、第2のリンク3に固定されている。弾性部材8の他方の端部は、第3のリンク4に固定されている。このような弾性部材8は、Y軸方向から見て、第2のリンク3におけるZ軸+側の辺に形成された切り欠き部3c、及び第3のリンク4におけるZ軸−側の辺に形成された切り欠き部4eに収容されている。但し、弾性部材8は、コイルバネに限らずに他の弾性部材でもよく、引っ張りバネやねじりバネなどを用いることもできる。
The
ここで、本実施の形態の弾性部材8は、詳細は後述するが、指1が初期状態から屈曲状態になるのに従って伸長して復元力が増加するように、指1の初期状態において、XZ平面上で、第1のリンク2に対する第3のリンク4の回転軸である当該第1のリンク2の第2の回転軸2bの中心O4を通り、且つ中心O4と第3のリンク4に対する第4のリンク5の回転軸である当該第3のリンク4の回転軸4bの中心O5とを通る第1の直線L1と直交する第2の直線L2と、弾性部材8の他方の端部と第3のリンク4との固定点J1と、の間隔R1が、中心O1を通り、且つ中心O1と中心O2とを通る第3の直線L3と直交する第4の直線L4と、弾性部材8の一方の端部と第2のリンク3との固定点J2と、の間隔R2以上となるように配置される(図3を参照)。つまり、指1の初期状態において、弾性部材8は、第1のリンク2に対してX軸+側に傾斜する。
Here, the
次に、本実施の形態のロボットの関節構造を採用した指1で被把持部材を把持する際のなじみ動作を説明する。ここで、なじみ動作とは、指1が被把持部材の外形に倣うように動作することである。なお、以下の説明では、図3乃至図6の図示においてリンクの反時計回りの回転方向を正方向とし、時計回りの回転方向を負方向として説明する。
Next, a familiar operation when the gripped member is gripped by the
図3乃至図6は、本実施の形態のロボットの関節構造を採用した指で被把持部材を把持する際のなじみ動作を説明するための図である。図3に示すように、指1はX軸+方向に伸展させた状態を初期状態とする。次に、アクチュエータ(サーボモータ)を駆動させ、第1のリンク2の第1の回転軸2a回りに当該第1のリンク2を正方向に回転させる。つまり、指1が伸展した状態で、第1の回転軸2a回りに指1を被把持部材10の側に近づけるように回転させる。すると、図4に示すように、第2のリンク3が被把持部材10に接触する。
3 to 6 are views for explaining a familiar operation when the gripped member is gripped by a finger adopting the joint structure of the robot of the present embodiment. As shown in FIG. 3, the initial state of the
この状態から、更にアクチュエータを駆動させると、図5に示すように、第2のリンク3の動作が被把持部材10で規制された状態で、即ち、第2のリンク3が静止節となった状態で、平行リンク機構9が正方向に回転する。これにより、第4のリンク5の回転軸5d回りに当該第4のリンク5の第2の部分5bが正方向に回転して、被把持部材10に近づくと共に、第6のリンク7の回転軸7d回りに当該第6のリンク7の第2の部分7bが正方向に回転して、被把持部材10に近づく。
When the actuator is further driven from this state, as shown in FIG. 5, the operation of the second link 3 is restricted by the gripped
そして、更にアクチュエータを駆動させると、図6に示すように、第2のリンク3が静止節となった状態で、平行リンク機構9が正方向に回転する。これにより、第4のリンク5の回転軸5d回りに当該第4のリンク5の第2の部分5bが正方向に回転して、被把持部材10に接触すると共に、第6のリンク7の回転軸7d回りに当該第6のリンク7の第2の部分7bが正方向に回転して、被把持部材10に接触する。これにより、指1を被把持部材10の外形になじませることができる。
Then, when the actuator is further driven, as shown in FIG. 6, the parallel link mechanism 9 rotates in the positive direction in a state where the second link 3 is a stationary node. As a result, the
このような指1のなじみ動作において、上述のように、弾性部材8は、指1が初期状態から屈曲状態になるのに従って伸長して復元力が増加する。つまり、弾性部材8は、指1が被把持部材10を把持する側に当該指1のなじみ動作を付勢する。
In such a familiar operation of the
次に、本実施の形態のロボットの関節構造を採用した指1で被把持部材10を把持する際の弾性部材8の復元力の働きを説明する。先ず、比較例として、特許文献1のロボットハンドの指構造を採用した指100で被把持部材10を把持する際の弾性部材101の復元力の働きを説明する。図7は、特許文献1のロボットハンドの指構造を採用した指で被把持部材を把持する際の弾性部材の力学特性を示す図である。
Next, the function of the restoring force of the
ここで、特許文献1の指100は、本実施の形態の指1の弾性部材8の力学特性と特許文献1の指100の弾性部材101の力学特性との相違を解り易くするために、本実施の形態の指1のリンク構造と等しいリンク構造を採用しており、弾性部材101の配置が異なる。そのため、図7では、本実施の形態の指1と対応するリンクに等しい符号を付している。
Here, the
特許文献1の指100においては、図7に示すように、指100が伸展する側に復元力を発現するように、弾性部材101が第2のリンク3の一方の端部に形成された突出部3dと手掌部102との間に配置されている。
In the
このような特許文献1の指100を用いて被把持部材10を手掌部102とで把持する際の第1のリンク2の第1の回転軸2a回りのモーメントt12は、以下の<式1>で表すことができる。
<式1> t12=−fr
但し、fは、弾性部材101の復元力であり、rは、弾性部材101の伸縮方向と直交する方向での、中心O1と、弾性部材101と第2のリンク3の突出部3dとの固定点jと、の間隔である。
The moment t 12 around the
<
Where, f is the restoring force of the
このようなモーメントt12はアクチュエータの駆動力Pに対して逆方向に作用することになる。そのため、アクチュエータによる駆動力Pを指100に与えた場合、指100が被把持部材10に与えるモーメントは、以下の<式2>で表すことができる。
<式2> P+t12=P−fr
Such a moment t 12 acts in the opposite direction to the driving force P of the actuator. Therefore, when the driving force P by the actuator is applied to the
<
図8は、本実施の形態のロボットの関節構造を採用した指で被把持部材を把持する際の弾性部材の力学特性を示す図である。図9は、本実施の形態の弾性部材の復元力の働きを説明するための図である。ちなみに、図9では、図5での指1の状態を実線で示し、図5での指1の状態において被把持部材10が除去され、弾性部材8の復元力によって伸展状態とされた指1を一点鎖線で示している。
FIG. 8 is a diagram showing the mechanical characteristics of the elastic member when the gripped member is gripped by a finger adopting the joint structure of the robot of the present embodiment. FIG. 9 is a diagram for explaining the function of the restoring force of the elastic member of the present embodiment. Incidentally, in FIG. 9, the state of the
図8に示すように、本実施の形態の指1を用いて被把持部材10を手掌部11とで把持する場合、第1のリンク2の第1の回転軸2a回りのモーメントT12は、以下の<式3>で表すことができる。
<式3> T12=Fc(R3−R2)
但し、Fcは、弾性部材8の復元力Fにおける第3の直線L3と直交する方向の分力である。また、R3は、第4の直線L4と固定点J1との間隔である。
As shown in FIG. 8, when the gripped
<Equation 3> T 12 = F c (R 3- R 2 )
However, F c is a component force in the direction orthogonal to the third straight line L 3 in the restoring force F of the
そして、本実施の形態の指1は、上述のように指1の初期状態においてR1>R2の関係であるため、第1のリンク2を第1の回転軸2a回りに回転させると、R3>R2の関係が成り立つようになり、指1のなじみ動作中は、被把持部材10に指1を押し付ける方向のモーメントが発生することになる。つまり、図9に示すように、弾性部材8によって指1を伸展状態に戻そうとする復元力が指1に働くことになる。そのため、アクチュエータによる駆動力Pを指1に与えた場合、指1が被把持部材10に与えるモーメントは、以下の<式4>で表すことができる。
<式4> P+T12=P+Fc(R3−R2)
Since the finger 1 of the present embodiment has a relationship of R 1 > R 2 in the initial state of the
<
このように特許文献1の指100は、被把持部材10を把持する際に弾性部材101によって当該被把持部材10を把持する側に対して逆側にモーメントが与えられる。そのため、指100で被把持部材10を把持する際に、弾性部材101の復元力はアクチュエータの駆動力Pから減算されることになる。よって、弾性部材101の復元力に打ち勝つ駆動力Pが必要となり、指100を動作させるためのアクチュエータが大型化する。
As described above, when the
一方、本実施の形態の指1は、被把持部材10を把持する際に弾性部材8によって当該被把持部材10を把持する側にモーメントが与えられる。そのため、指1で被把持部材10を把持する際に、弾性部材8の復元力がアクチュエータの駆動力Pに加算されることになる。よって、特許文献1の指100に対して、小さな駆動力Pで被把持部材10を把持することができる。これにより、本実施の形態の指1で採用したロボットの関節構造は、アクチュエータの小型化に寄与でき、それに伴い、例えば、ロボットハンドを安価に構成でき、しかも軽量化できる。
On the other hand, in the
また、本実施の形態の指1は、特許文献1の指100に比べて、アクチュエータによって等しい駆動力を与えた場合、大きな把持力を発現させることができ、被把持部材10をしっかりと把持できる。
Further, the
<実施の形態2>
実施の形態1では、第2のリンク3が被把持部材10に接触した際の指1のなじみ動作について説明したが、第4のリンク5の第2の部分5bが被把持部材10に接触した際も同様になじみ動作を実現することができる。
<
In the first embodiment, the familiar operation of the
図10は、本実施の形態のロボットの関節構造を採用した指で被把持部材を把持する際の弾性部材の力学特性を示す図である。なお、図10では、第4のリンク5の第2の部分5bが被把持部材10に接触した直後の指1の状態を一点鎖線で示し、さらにアクチュエータを駆動させてなじみ動作中の指1の状態を実線で示している。
FIG. 10 is a diagram showing the mechanical characteristics of the elastic member when the gripped member is gripped by a finger adopting the joint structure of the robot of the present embodiment. In addition, in FIG. 10, the state of the
図10に示すように、本実施の形態の指1を用いて被把持部材10を手掌部11とで把持する場合、指1から被把持部材10に作用する力Ftは、以下の<式5>で表すことができる。
<式5> Ft=R4(P+T12)=R4(P+Fc(R3−R2))
但し、R4は、中心O1と第4のリンク5の第2の部分5bが被把持部材10に接触する接触点Cとの間隔である。
As shown in FIG. 10, when the gripped
<
However, R 4 is the distance between the center O 1 and the contact point C where the
このとき、力Ftは、中心O1と接触点Cとを直径の両端とする円の接線方向に作用し、被把持部材10の側に作用することになる。そのため、本実施の形態でも、弾性部材8の復元力がアクチュエータの駆動力Pに加算されることになり、特許文献1の指100に対して、小さな駆動力Pで被把持部材10を把持することができる。
At this time, the force F t acts in the tangential direction of the circle having the center O 1 and the contact point C at both ends of the diameter, and acts on the side of the member to be gripped 10. Therefore, even in the present embodiment, the restoring force of the
ちなみに、更にアクチュエータを駆動させると、図10の指1の状態から第4のリンク5が回転軸5d回りに正方向に回転して被把持部材10を第2のリンク3の側に引き上げつつ、第6のリンク7が回転軸7d回りに正方向に回転して被把持部材10になじむ。そして、最終的には、第2のリンク3と、第4のリンク5の第2の部分5bと、第6のリンク7の第2の部分7bと、が被把持部材10に接触し、指1を被把持部材10になじませることができる。
By the way, when the actuator is further driven, the
なお、上記の実施の形態1及び2では、第2のリンク3と、第4のリンク5の第2の部分5bと、第6のリンク7の第2の部分7bとが、指1の初期状態において略真っ直ぐに配置されているが、若干、屈曲していてもよい。
In the first and second embodiments described above, the second link 3, the
また、各々のリンク2、3、4、5、6、7の形状や配置は限定されない。さらに、回転軸と貫通孔との関係も限定されない。要するに、第1のリンク2に対して第2のリンク3が回転可能であり、第1のリンク2に対して第3のリンク4が回転可能であり、第2のリンク3及び第3のリンク4に対して第4のリンク5が回転可能であり、第3のリンク4に対して第5のリンク6が回転可能であり、第4のリンク5及び第5のリンク6に対して第6のリンク7が回転可能であればよい。そして、指1の初期状態において、間隔R1>R2の関係を満たしていればよい。
Further, the shape and arrangement of the
ここで、第5のリンク6及び第6のリンク7は、省略してもよいが、第5のリンク6及び第6のリンク7を備えていると、被把持部材10に対して細かななじみ動作を実現することができる。
Here, the
<実施の形態3>
図11は、本実施の形態のロボットハンドの構成を模式的に示す図である。図12は、本実施の形態のロボットハンドの示指を模式的に示す図である。図13は、本実施の形態のロボットハンドの示指の弾性部材の配置を説明するための図である。図14は、本実施の形態のロボットハンドの拇指を模式的に示す図である。図15は、図11のXV部分の拡大図である。
<Embodiment 3>
FIG. 11 is a diagram schematically showing the configuration of the robot hand of the present embodiment. FIG. 12 is a diagram schematically showing the index finger of the robot hand of the present embodiment. FIG. 13 is a diagram for explaining the arrangement of the elastic member of the index finger of the robot hand of the present embodiment. FIG. 14 is a diagram schematically showing the thumb of the robot hand of the present embodiment. FIG. 15 is an enlarged view of the XV portion of FIG.
本実施の形態のロボットハンド30は、図11に示すように、手掌部31、示指32、中指33、環指34、小指35及び拇指36を備えており、各々の指32、33、34、35、36は、実施の形態1のロボットハンドの指構造を採用している。ちなみに、図11に示す手掌部31は、手の甲を構成しているが、手の平を構成していてもよい。
As shown in FIG. 11, the
ここで、示指32、中指33、環指34及び小指35は、リンクの長さを除いて略等しい構成とされているため、示指32を代表して説明する。本実施の形態の示指32は、図12に示すように、第1のリンク41、第2のリンク42、第3のリンク43、第4のリンク44、第5のリンク45、第6のリンク46、第1の弾性部材47及び第2の弾性部材48を備えており、実施の形態1の指1の各リンクと略等しい接続関係である。
Here, since the
つまり、第1のリンク41は、実施の形態1の指1の第1のリンク2に対応し、第2のリンク42は、実施の形態1の指1の第2のリンク3に対応する。第3のリンク43は、実施の形態1の指1の第3のリンク4に対応し、第4のリンク44は、実施の形態1の指1の第4のリンク5に対応する。第5のリンク45は、実施の形態1の指1の第5のリンク6に対応し、第6のリンク46は、実施の形態1の指1の第6のリンク7に対応する。
That is, the first link 41 corresponds to the
但し、本実施の形態の第1のリンク41は、アクチュエータ50のピニオン歯車51とで傘歯車を構成する。つまり、第1のリンク41は、側面の周縁に沿って歯が形成された円盤形状のギヤ歯車である。そして、第2のリンク42の一方の端部は、第1のリンク41の略中央に固定された第1の回転軸41aに回転可能に接続されている。また、第3のリンク43の一方の端部は、第1のリンク41に設けられた第2の回転軸41bを介して当該第1のリンク41の側面に回転可能に接続されている。
However, the first link 41 of the present embodiment constitutes a bevel gear with the
なお、本実施の形態では、アクチュエータ50の回転駆動によって第1のリンク41を回転させているが、直動アクチュエータの直動駆動によって第1のリンク41を回転させてもよい。また、ワイヤーやタイミングベルトなどを用いてアクチュエータ50の駆動力を第1のリンク41に伝達してもよい。
In the present embodiment, the first link 41 is rotated by the rotational drive of the
第1の弾性部材47は、例えば、ゴムなどの樹脂製のリング部材であり、第2のリンク42と第3のリンク43とに掛け渡されている。このように第1の弾性部材47は、樹脂製のリング部材で構成しているため、例えば、第1の弾性部材47としてコイルバネなどを採用する場合に比べて、設置スペースが狭くてよく、また、安価である。このとき、第2のリンク42及び第3のリンク43には、第1の弾性部材47を引っ掛けて固定するための切り欠き部が形成されているとよい。
The first
ここで、示指32は、実施の形態1の指1と略等しい構成であるので、実施の形態1の指1の構成に置き換えて、第1の弾性部材47の配置を説明すると、図13に示すように、示指32の初期状態において、XZ平面上で、第1のリンク41に対する第3のリンク43の回転軸である当該第1のリンク41の第2の回転軸41bの中心O6を通り、且つ中心O6と第3のリンク43に対する第4のリンク44の回転軸である当該第3のリンク43の回転軸43bの中心O7とを通る第1の直線L5と直交する第2の直線L6と、第1の弾性部材47における第3のリンク43との固定点J3と、の間隔R5が、第1のリンク41に対する第2のリンク42の回転軸である当該第1のリンク41の第1の回転軸41aの中心O8を通り、且つ中心O8と第2のリンク42に対する第4のリンク44の回転軸44aの中心O9とを通る第3の直線L7と直交する第4の直線L8と、第1の弾性部材47における第2のリンク42との固定点J4と、の間隔R6以上である。つまり、示指32の初期状態において、第1の弾性部材47は、第1のリンク41に対してX軸+側に傾斜している。これにより、実施の形態1と同様に、示指32を屈曲させる際に、第1の弾性部材47の復元力をアクチュエータの駆動力Pに加算することができる。
Here, since the
第2の弾性部材48は、例えば、ゴムなどの樹脂製のリング部材であり、第4のリンク44と第5のリンク45とに掛け渡されている。このとき、図13に示すように、示指32の初期状態において、XY平面上で、中心O9を通り、且つ中心O9と第4のリンク44に対する第6のリンク46の回転軸46aの中心O10とを通る第5の直線L9と直交する第6の直線L10と、第2の弾性部材48における第5のリンク45との固定点J5と、の間隔R7は、第6の直線L10と、第2の弾性部材48における第4のリンク44との固定点J6と、の間隔R8以上である。つまり、示指32の初期状態において、固定点J5は、大凡、固定点J6に対して示指32の指先側に配置される。
The second
これにより、第2の弾性部材48も、第1の弾性部材47と同様に、示指32のなじみ動作において、示指32が初期状態から屈曲状態になるのに従って伸長して復元力が増加する。そのため、第4のリンク44及び第6のリンク46を回転させる際に、第2の弾性部材48の復元力をアクチュエータの駆動力Pに加算することができる。
As a result, the second
しかも、第2の弾性部材48も、樹脂製のリング部材で構成しているため、例えば、第2の弾性部材48としてコイルバネなどを採用する場合に比べて、設置スペースが狭くてよく、また、安価である。このとき、第4のリンク44及び第5のリンク45には、第2の弾性部材48を引っ掛けて固定するための切り欠き部が形成されているとよい。
Moreover, since the second
なお、第1の弾性部材47及び第2の弾性部材48は、樹脂製のリング部材に限定されず、実施の形態1と同様にコイルバネなどでもよい。また、第1の弾性部材47及び第2の弾性部材48は、ゴムに限らず、復元力を発現する部材であればよい。但し、第2の弾性部材48は、省略することもできる。
The first
拇指36は、図14に示すように、基部61、第1のリンク62、第2のリンク63、第3のリンク64、第4のリンク65及び弾性部材66を備えている。基部61は、拇指36を内外転させるための回転軸67を介して回転可能に手掌部31に接続されている。回転軸67には、第1のアクチュエータ68から回転トルクが伝達可能に当該第1のアクチュエータ68に接続されており、第1のアクチュエータ68が駆動すると、回転軸67回りに拇指36が内外転する。これにより、拇指36を示指32などと対向させることができる。
As shown in FIG. 14, the
第1のリンク62は、円盤形状に形成されており、第2のアクチュエータ69の回転トルクに基づいて、第1のリンク62の略中央に固定された第1の回転軸62a回りに回転する。第2のリンク63は、実施の形態1の指1の第2のリンク3に対応し、拇指36の基節を成す。そして、第2のリンク63の一方の端部は、第1のリンク62の第1の回転軸62aに回転可能に接続されている。
The
第3のリンク64は、実施の形態1の指1の第3のリンク4に対応し、第3のリンク64の一方の端部は、第1のリンク62に設けられた第2の回転軸62bを介して当該第1のリンク62の側面に回転可能に接続されている。第4のリンク65は、実施の形態1の指1の第6のリンク7に対応し、拇指36の末節を成す。そして、第4のリンク65は、第4のリンク65に設けられた回転軸65aを介して当該第2のリンク63の他方の端部に回転可能に接続され、また、第3のリンク64に設けられた回転軸64aを介して当該第3のリンク64の他方の端部に回転可能に接続されている。
The
このようなロボットハンド30は、実施の形態1と同様の弾性部材の配置を採用して各指32、33、34、35、36を構成しているため、実施の形態1と同様に、アクチュエータ50及び第2のアクチュエータ69の小型化に寄与でき、それに伴い、ロボットハンド30を小型化すると共に、軽量化することができる。
Since such a
ここで、本実施の形態の環指34及び小指35は、一つのアクチュエータ50の駆動力に基づいて動作させるとよい。詳細には、図15に示すように、環指34における第1のリンク41の第1の回転軸41aと小指35における第1のリンク41の第1の回転軸41aとがユニバーサルジョイント70に介して接続されている。
Here, the
これにより、環指34及び小指35を一つのアクチュエータ50の駆動力に基づいて動作させることができ、更にロボットハンド30を小型化すると共に、軽量化することができる。このとき、環指34及び小指35は、リンク構造により、被把持部材に対して個別にならい動作させることができる。
As a result, the
なお、示指32、中指33、環指34及び小指35も、拇指36と同様に内外転可能な構成とされてもよい。
The
また、本実施の形態のロボットハンド30は、示指32、中指33、環指34、小指35及び拇指36を備えた構成とされているが、指の本数は限定されない。
Further, the
本発明は上記の実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
上記の実施の形態のロボットの関節構造は、ロボットハンドの指に採用したが、これに限らず、ロボットの関節部に採用することができる。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately modified without departing from the spirit.
The robot joint structure of the above embodiment is adopted for the fingers of the robot hand, but is not limited to this, and can be adopted for the joint portion of the robot.
1 指
2 第1のリンク、2a 第1の回転軸、2b 第2の回転軸
3 第2のリンク、3a 第1の貫通孔、3b 第2の貫通孔、3c 切り欠き部
4 第3のリンク、4a 第1の貫通孔、4b 回転軸、4c 突出部、4d 第2の貫通孔、4e 切り欠き部
5 第4のリンク、5a 第1の部分、5b 第2の部分、5c 第1の貫通孔、5d 回転軸、5e 第2の貫通孔
6 第5のリンク、6a 第1の回転軸、6b 第2の回転軸
7 第6のリンク、7a 第1の部分、7b 第2の部分、7c 貫通孔、7d 回転軸
8 弾性部材
9 平行リンク機構
10 被把持部材
11 手掌部
30 ロボットハンド
31 手掌部
32 示指
33 中指
34 環指
35 小指
36 拇指
41 第1のリンク、41a 第1の回転軸、41b 第2の回転軸
42 第2のリンク
43 第3のリンク、43b 回転軸
44 第4のリンク、44a 回転軸
45 第5のリンク
46 第6のリンク、46a 回転軸
47 第1の弾性部材
48 第2の弾性部材
50 アクチュエータ
51 ピニオン歯車
61 基部
62 第1のリンク、62a 第1の回転軸、62b 第2の回転軸
63 第2のリンク
64 第3のリンク、64a 回転軸
65 第4のリンク、65a 回転軸
66 弾性部材
67 回転軸
68 第1のアクチュエータ
69 第2のアクチュエータ
70 ユニバーサルジョイント
1
Claims (3)
前記第1のリンクに対して前記第1の回転軸回りに回転可能な第2のリンクと、
前記第1のリンクに対して第2の回転軸回りに回転可能な第3のリンクと、
前記第2のリンクに対して第3の回転軸回りに回転可能で、且つ前記第3のリンクに対して第4の回転軸回りに回転可能な第4のリンクと、
を有し、前記第1の回転軸と前記第2の回転軸と前記第3の回転軸と前記第4の回転軸とが異なる4節リンク機構を備える、ロボットの関節構造であって、
一方の端部が前記第2のリンクに固定され、他方の端部が前記第3のリンクに固定された第1の弾性部材と、
前記第3のリンクに対して第5の回転軸回りに回転可能な第5のリンクと、
前記第4のリンクに対して第6の回転軸回りに回転可能で、且つ前記第5のリンクに対して第7の回転軸回りに回転可能な第6のリンクと、
一方の端部が前記第4のリンクに固定され、他方の端部が前記第5のリンクに固定された第2の弾性部材と、
を有し、
指の伸展状態を初期状態としたとき、前記第1の弾性部材は、前記指が屈曲状態になるのに従って伸長して復元力が増加し、
前記指の初期状態において、前記第1の回転軸が延在する方向と直交する平面上で、前記第2の回転軸の中心を通り、且つ前記第2の回転軸の中心と前記第4の回転軸の中心とを通る第1の直線と直交する第2の直線と、前記第3のリンクと前記第1の弾性部材の他方の端部との固定点と、の間隔は、前記第1の回転軸の中心を通り、且つ前記第1の回転軸の中心と前記第3の回転軸の中心とを通る第3の直線と直交する第4の直線と、前記第2のリンクと前記第1の弾性部材の一方の端部との固定点と、の間隔以上であり、
前記第2の弾性部材は、前記指が屈曲状態になるのに従って伸長して復元力が増加し、
前記指の初期状態において、前記第3の回転軸が延在する方向と直交する平面上で、前記第3の回転軸の中心を通り、且つ前記第3の回転軸の中心と前記第6の回転軸の中心とを通る第5の直線と直交する第6の直線と、前記第5のリンクと前記第2の弾性部材の他方の端部との固定点と、の間隔は、前記第6の直線と、前記第4のリンクと前記第2の弾性部材の一方の端部との固定点と、の間隔以上である、ロボットの関節構造。 A first link that can be rotated around the first axis of rotation by an actuator,
A second link that can rotate about the first axis of rotation with respect to the first link,
A third link that can rotate about a second axis of rotation with respect to the first link,
A fourth link that is rotatable about a third rotation axis with respect to the second link and is rotatable about a fourth rotation axis with respect to the third link.
A robot joint structure comprising a four-node link mechanism in which the first rotation axis, the second rotation axis, the third rotation axis, and the fourth rotation axis are different from each other.
A first elastic member whose one end is fixed to the second link and whose other end is fixed to the third link .
A fifth link that can rotate about a fifth axis of rotation with respect to the third link,
A sixth link that is rotatable about a sixth rotation axis with respect to the fourth link and is rotatable about a seventh rotation axis with respect to the fifth link.
A second elastic member whose one end is fixed to the fourth link and whose other end is fixed to the fifth link.
Have,
When the extended state of the finger is set to the initial state, the first elastic member is extended as the finger is in the bent state, and the restoring force is increased.
In the initial state of the finger, on a plane orthogonal to the direction in which the first rotation axis extends, the center of the second rotation axis passes through the center of the second rotation axis, and the center of the second rotation axis and the fourth rotation axis. The distance between the second straight line orthogonal to the first straight line passing through the center of the rotation axis and the fixing point between the third link and the other end of the first elastic member is the first. A fourth straight line passing through the center of the rotation axis of the above and orthogonal to a third straight line passing through the center of the first rotation axis and the center of the third rotation axis, the second link, and the second. a fixed point and one end of the first elastic member state, and are more intervals,
The second elastic member expands as the finger becomes bent, and the restoring force increases.
In the initial state of the finger, on a plane orthogonal to the direction in which the third rotation axis extends, the center of the third rotation axis passes through the center of the third rotation axis, and the center of the third rotation axis and the sixth rotation axis. The distance between the sixth straight line orthogonal to the fifth straight line passing through the center of the rotation axis and the fixing point between the fifth link and the other end of the second elastic member is the sixth. line and, the one fixed point of the end of the fourth link and the second elastic member, Ru der above interval, articulated structure of the robot.
Priority Applications (4)
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